اندازه گیری زلزله

اندازه گیری زلزله

  معمولاً وقتی از شدت درجه ریشتر – Richter- صحبت می شود، تمام اطلاعات مربوط به شدت یك زلزله ارائه می شود. زلزله ای كه در تابستان سال ۱۹۹۸ قسمتی ازافغانستان را كه در ۲۸ فوریه همان سال به واسطه زمین لرزه ای دیگر ویران شده بود،ویران كرد، طبق گزارشها شدتی معادل ۱/۷ درجه ریشتر داشت كه از جمله زمین لرزه های مهیب به حساب می آید.
شدت زلزله در واحد ریشتر، كه برگرفته از اسم زلزله نگار امریكایی، چارلزفرانسیس ریشتر (Charles Francis Richter)، می باشد، یك جدول شدت لگاریتمی شناخته شده بین المللی است. تك تك این اطلاعات با یك زلزله سنج اندازه گیری می شود.ریشتر در سال ۱۹۳۵، زمانی كه او كار درجه بندی خود را تكمیل كردMagnitude را كه به اختصار (M) می نامند و برگرفته از كلمه لاتینMagnitudo به معنای اندازه و مقدار است، به عنوان مقیاس اندازه گیری زلزله معرفی كرد. درجه بندی ریشتر با M۱ شروع می شود كه این مقدار برای لرزشهای قابل حس زمین است. هر نقطه و مكانی روی این درجه بندی، به معنی شدت زمین لرزه به میزان ده برابر است. M۸ نشان دهنده زمین لرزه های بسیار شدید است. ریشتر حد و مرزی را برای مقادیر M۸ در نظر نگرفته است.

مقیاس های درجه بندی ریشتر
شدت ۲-۱ ریشتر: فقط به واسطه ابزار و تجهیزات قابل تشخیص است.
شدت ۳ ریشتر: در نزدیكی محل زلزله به سختی قابل احساس است.
شدت ۵-۴ ریشتر: تا شعاع ۳۰ كیلومتری از مركز زلزله قابل حس بوده و همراه با
خرابی های مختصری است.
شدت ۶ ریشتر: زمین لرزه ای قوی است كه تلفات جانی در بر دارد و خسارتهای
سنگینی را در مناطق پر سكنه و جمعیت بار می آورد.
شدت ۷ ریشتر: زلزله ای با قدرت بسیار بالاست كه می تواند منجر به بروز فاجعه شود.
شدت ۸ ریشتر: عظیم ترین و مخوف ترین نوع زلزله است. تاكنون شدید ترین
زلزله ای كه ثبت شده ، شدتی معادل ۶/۸ ریشتر داشته است.

مقدار Moment
مقیاس ریشتر، زمین لرزه های بسیار شدید یعنی حدوداً از ۸ ریشتر به بالا را به سختی اندازه گیری می كند. به همین خاطر در سال گذشته زلزله نگاران آمریكایی مقیاس اندازه گیری Moment را برگزیده اند. در این مقیاس به جای انرژی آزاد شده، طول شكستگی بر روی پوسته زمین محاسبه می شود. در اینجا Moment یك مقیاس مكانیكی برای حركتهای (تكان های ) بدنی به عنوان پیامد تأثیر نیروست. مقیاسMoment مانند مقدار ریشتر بوسیله زلزله سنج مشخص می شود. دستگاه لزله سنج همه انواع امواج را كه در مدت زلزله بروز می كنند، مورد توجه قرار می دهد.
زمین لرزه های خفیف حداكثر چند صد متر شكاف روی پوسته زمین ایجاد می كنند.
در زمین لرزه های با شدت بالا این شكاف می توانند بالغ بر چند صد كیلومتر شود.
در طول و امتداد چنین شكستگی هایی، امواج زلزله به صورت بی قاعده و قانون سترش پیدا می كنند. زلزله كلمبیا در ۲۵ ژانویه ۱۹۹۹ طبق حـــدسیات، شكــــافی ــــه طول ۱۰ كیـــــلومتر ایجادكرد. مقیاس Moment در این زلزله ۰/۶ بود. دانشمندان رای زلزله ای در ماه مه ۱۹۶۰ در شیلی، شدیدترین زلزله راساس مقیاس Moment ه مقدار ۵/۹ را داشت، ثبت كردند.

مقیاس Mercalli

در این تقسیم بندی زمین لرزه مانند مقیاس ریشتر بر اساس شدت آن اندازه گیری نمی شود، بلكه براساس تأثیرات قابل حس و قابل دید توصیف می شود. این مقیاس براساس نام محقق ایتالیایی در زمینه آتشفشان،(۱۹۱۴-۱۸۵۰) G. Mercalli، نامگذاری شد. او این مقیاس را با شروع قرن جدید میلادی ارائه کرد، یعنی زمانی كه هنوز هیچ گــــونه ابــــزار دقیق اندازه گیری و قانون اندازه گیری بین المللی وجود نداشت. ایـــن مقــــیاس امــــروزه در اروپــــا در قــــالبی تـــغیـــــیر شــكل داده شـــده بـــه عنــــوان مقــــیاس Medvedev-SponheuerKarnik) MSK) متداول و رایج است. بامقیاس MSK شدت یك زلزله برای مكانهای مورد نظر اندازه گیری می شود. این شدتدر ۱۲ درجه تقسیم بندی و برای هر تقسیم بندی توصیفات مفصلی داده می شود. به عنوان مثال سطح یا درجه ششم باعث بروز شكافهایی در دیوار می شود وبا درجه ۷، دودكش ها از روی سقفها به زمین می افتند و در درجه ۸، گوشه های بنا فرومی ریزد. در این نوع درجه بندی، درجه مقیاسهای مكانی مناطق زلزله زده بر روی نقشه ثبت می شوند، سپس نواحی با درجه تخریب یكسان از طریق خطوطی به هم متصل می شوند. این نقشه ها به عنوان مبنایی برای اینكه بیمارستانها یا نیروگاهها كجا ساخته شوند محسوب می شود. همچنین برای كاهش خسارات ناشی از زلزله، این نقشه ها كاربرد ویژه ای دارند.

ارسال شده توسط یکی از کاربران خوب این وب سایت (rahmang ) - شما نیز می توانید مقالات و یا مطالب علمی خود را در اختیار سایر دانشجویان بگذارید برای این منظور ثبت نام کرده  و در تالارهای گفتگو آن مطالب را با نام خودتان برای دانشجویان ایرانی ارسال نمایید.

تکنولوژی بکار رفته در cpu های دو هسته ای

تکنولوژی بکار رفته در cpu های دو هسته ای

در چندین ماه گذشته پیشرفت های جدیدی در طراحی پروسسورها، بویژه از طرف شرکت AMD حاصل شد. این شرکت علاوه بر اینکه یک cpu با طراحی کاملا ْ۶۴ بیتی عرضه کرد که باعث برتری یافتن این شرکت در بازار کامپیوترهای رومیزی پیشرفته گردید، همچنین در حذف کنترل کننده‌های حافظه (MCH) پیشقدم شد که در عملکرد Athlon ۶۴ و چیپهای optron یک پیشرفت قابل ملاحظه نسبت به پروسسورهای intel به حساب می‌آید. اینتل به طور متقابل پروسسور سازگار ۶۴ بیتی را عرضه نمود. به تازگی نیز هر دو شرکت پردازشگرهای دوهسته ای را عرضه نموده‌اند، این پروسسورها بهتر از آن چیزی که شما انتظار دارید کار می‌کنند. پروسسورهای اینتل و AMD هر دو دارای دو هسته پروسسور، در حال کار در یک قالب می‌باشند که هر یک از هسته‌ها بصورت مستقل توابع و پردازشهای داده را انجام می‌دهند (در مورد اینتل این مورد کامل تر است) و هر دو این هسته‌ها توسط نرم افزار سیستم عامل هم آهنگ می گردند.
در این مقاله سعی شده تا تکنولوژی که در این دو محصول استفاده شده و مقدار افزایش کارایی که شما می توانید از آنها انتظار داشته باشید بررسی گردد. در حال حاضر AMD فقط پروسورهای کلاس سرور opteron با دو هسته را بطور کامل به بازار عرضه کرده و بزودی Athlon ۶۴*۲ برای کامپیوترهای رومیزی را نیز به بازار عرضه می‌کند. در طرف مقابل اینتل در حال حاضر پنتیوم Extreme Edition ۸۴۰ رومیزی با دو هسته را به بازار عرضه نموده در حالی که خطهای تولید Pentium D و dual xeons هنوز متوقف نشده اند.
با توجه به اینکه پروسسورهای دو هسته‌ای در اصل یک سیستم چند پروسسوره که در یک قالب قرار گرفته اند، می باشد. اجازه بدهید اینک چندین تکنولوژی که در سیستم های چند پردازشگر استفاده می شود را مورد بررسی قرار دهیم.

چند پردازشگرهای متقارن ( SMP (symmetric Multi processing
SMP روش مشترکی می باشد که چندین پردازشگر بطور جداگانه با یکدیگر در یک مادربرد کار می‌کنند. سیستم عامل با هر دو cpu تقریباً بطور یکسان کار می‌کند و کارهای مورد نیاز را به آنها ارجاع می‌دهد. چیپ‌های دوهسته ای جدید intel و AMD توانایی SMP را بصورت داخلی مورد توجه قرار داده‌اند. پروسسورهای سرور opteron دوهسته ای می‌تواند همچنین بصورت خارجی با دیگر چیپ‌های دوهسته ای ارتباط برقرار کند. (بشرط آنکه چیپ متقابل نیز دارای این خاصیت باشد)
محدودیت اصلیSMP در پشتیبانی سیستم عاملها و نرم افزارها از این تکنولوژی می‌باشد. خیلی از سیستم عاملها (مانند ویندوز XP سری خانگی ) توانایی پشتیبانی از SMP را ندارند و از دومین پردازشگر استفاده نمی‌کنند. همچنین بیشتر برنامه‌های پیشرفته بصورت تک رشته ای کار می‌کنند، در اصل در هر زمان فقط یک پردازشگر در حالت فعال می باشد. برنامه های چند رشته‌ای از پتانسیل موجود در سیستم‌های دو یا چند پرازشگر، می‌توانند نتایج مفیدتری بگیرند، ولی به صورت کامل عمومیت ندارد.
در گذشته intel و AMD سعی داشته‌اند تا تکنولوژی جدیدی مثل SMD را بیشتر برای پردازشگرهای سرور پیشرفته مانند opteron و Xeon استفاده نمایند ( البته تا قبل از پنتیوم ۳ )

Hyperthreading
این تکنولوژی بصورت اختصاصی توسط اینتل در پردازشگرهای چند هسته‌ای بکار گرفته شده است. این تکنولوژی قبلاً نیز توسط این شرکت بکار گرفته ‌شده‌ بود. اینتل برای آنکه از منابع CPUبنحو بهتری استفاده نماید فقط قسمتهایی که کار پردازش اطلاعات را انجام می دهد را تکثیر کرده است. یعنی آنکه منابع داده در داخل CPU بصورت مشترک استفاده می‌شد. ایده hyperthreading برای دو برابرکردن مقدار فعالیت چیپ می‌باشد تا آنکه کاهش عملکرد سیستم که در اثر فقدان حافظه Cash روی می‌دهد کمتر گردد همچنین بصورت تئوری نشان داده شده که منابع سیستم کمتر تلف می‌‌گردند.
در صورتی که CPU های hyperthreading مانند دو پروسسور حقیقی بنظر می رسد. ولی این CPU ها نمی‌توانند عملکردی مشابه دو CPU مجزا مانند CPU های دوهسته ای داشته باشند. زیرا در CPU های دو هسته ای دو “Threads”مشابه بطور همزمان و با Cash ‌های جداگانه L۱ و L۲ می‌توانند اجرا گردند که این عمل در پردازشگرهای hyperthreading قابل انجام نمی‌باشد.
یکی از چیپهای جدید اینتل بنام ، پردازشگر پنتیوم Extreme Edition ۸۴۰ ، در داخل هر هسته خود از تکنولوژی hyperthreading نیز پشتیبانی می‌کند، یعنی آنکه در یک سیستم عامل آن بصورت چهار پردازشگر حقیقی دیده می‌شود.

دو چیپ در یک قالب … چرا؟
چرا دو شرکت اینتل و AMD بطور ناگهانی شروع به توزیع پردازشگرهای دو هسته‌ای کردند؟
اول از همه رقابت چنانچه بعداً بیان خواهیم کرد AMD از ابتدا توانائی بالقوه دوهسته‌ای را در پردازشگرهای ۶۴ بیتی خود داشت. ساختمان ورودی و خروجی برای دومین هسته در CPU های فعلی ۶۴ بیتی AMD موجود می‌باشد.
هیچ شرکتی نمی تواند دیگران را از بدست آوردن تکنولوژی‌های جدید منع نماید و AMD در حال حاضر با موفقیت چشمگیر خط تولید پرداشگرهای ۶۴ بیتی آسودگی را از intel سلب نموده ‌است.
برای اینتل ضروری می‌باشد که دارای یک تولید تخصصی در تکنولوژی دوهسته ای ‌باشد تا رقابت با شرکاء تجاری خود را حفظ نماید.
دوم، کارایی می‌باشد. مطمئناً برنامه‌های کاربردی چند رشته‌ای در پردازشگرهایی که توانایی انجام چند پردازش را دارند در پردازشگرهایی که یک پردازش را در هر زمان انجام می‌دهند، بهتر عمل خواهند نمود.
البته برای سیستم های چند پردازشگره یک ایراد عمومی وجود دارد و آن تاْخیری می‌باشد که این CPU ها در اجرای کار سیستم بوجود می آورند. به بیان ساده در حال حاضر روشی برای سیستم عامل‌های موجود وجود ندارند تا پردازشها را بطور کاملاً مساوی در بین پردازشگرها تقسیم نماید، پردازشگر دوم عموماً بایک مداخله کمتر و کارایی پایین‌تر کارمی‌کند، در صورتی که ممکن است پردازشگر اول بصورت ۱۰۰% در حال پردازش ‌باشد.
سومین دلیل کمتر نمایان است، ناامیدی AMD و اینتل می‌باشد، هر دو شرکت با یک مانع جدی برای افزایش سرعت پردازشگرها و کوچکتر کردن اندازه قالب آنها روبرو شده اند تا این مانع حذف نشود و یا اینکه تا کاربران عمومی متوجه نشوند که GHZ به تنهایی کارایی را بیان نمی‌کند. هر دو شرکت برای دست یافتن به هر پیشرفت که کارایی پردازشگرها را بهبود بخشید تلاش خواهند نمود و تقریباً دلیل اصلی بوجود آمدن پردازشگرهای دو هسته ای را می‌توان همین دلیل سوم بیان نمود.

دسترسی AMD به تکنولوژی دو هسته ای

فرم فاکتور فعلی پردازشگر ۶۴ اتلن به طراحی دو هسته ای خیلی نزدیک می‌باشد. وجود کنترل کننده‌های Hypertransport و کنترل کننده حافظه درقالب چیپهای فعلی ۶۴ اتلن به معنی آنست که اضافه نمودن دومین هسته در داخل چیپ چندان مشکل نمی‌باشد.
بدلیل رابط NorthBridge که AMD برای اتلن ۶۴ تهیه کرده‌ است کنترل کننده حافظه و رابط Hypertransport در داخل چیپ پشتیبانی می گردد. این به چیپ‌های دوهسته‌ای امکان می دهد که از داخل خود پردازشگر با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

تعداد ترانزیستورهای پردازشگرهای اتلن ۶۴*۲ بیش از دو برابر پردازشگرهای اتلن ۶۴ می‌باشد. با توجه به اینکه در ساختن CPU های جدید از روش ۹۰nm استفاده می شود سایز کل چیپ کمی افزایش پیدا کرده و ولتاژ عملکرد ۱.۳۵ تا ۱.۴ می‌باشد و گرمای خروجی به بیش از ۱۱۰w کمی افزایش می‌یابد.
هر هسته پردازشگر حافظه Cash L۱ و L۲ مخصوص به خود را دارد، ۱۲۸ KB برای L۱ و بسته به مدل ۵۱۲ KB تا ۱ MB برای L۲.

دو برتری مهمی که AMD در CPU های دو هسته‌ای دارد عبارتند از اینکه :
“Crossbar Switch” که آدرسها را جمع‌آوری کرده و توزیع می کند و داده را از هر هسته به هسته دیگر یا باقی سیستم توزیع می کند در حال حاضر امکان اضافه شدن دومین هسته را دارد.
موفقیت دیگر AMD که از نظر مصرف کننده خیلی مهم می‌باشد امکان استفاده اتلن ۶۴*۲ از مادربردهای سوکت ۹۳۹/۹۴۰ می باشد و فقط لازم است که شرکت تولید کننده مادربرد BIOS را برای پشتیبانی از خصوصیات جدید به روز رسانی نماید.

دسترسی اینتل به پردازشگر دو هسته ای
با توجه به اینکه اینتل مانند AMD دارای مدل قبلی برای اضافه کردن هسته جدید در داخل یک قالب CPU نبود، برای ساخت آن مدل جدیدی را طراحی نمود که البته دارای نواقصی نسبت به مدل AMD می‌باشد.
پنتیوم D در اصل از دو پردازشگر “پرسکات” پنتیوم D در یک قالب تشکیل شده است ، این پردازنده دارای مزیت داشتن دو حافظه کش L۱ و L۲ برای هر هسته بطور مجزا می‌باشد، ولی دارای نواقصی نیز می باشند از جمله اینکه این دو پرداشگر برای ارتباط برقرار کردن با یکدیگر باید، از NorthBridge و FSB خارج پردازشگر استفاده نمایند. تعداد ترانزستورها برای چیپ های جدید بیش از ۲۳۰ میلیون و گرمای تولید شده به مقدار فوق‌العاده ۱۳۰W برای پنتیوم Extereme Edition می‌رسد.

یکی از بزرگترین معایب طراحی اینتل نسبت به AMD که سوکت‌های ۹۳۹ را برای طراحی پردازشگرهای دو هسته‌ای خود حفظ نمود آن است که راه حل دو هسته‌ای اینتل نیاز به یک جفت چیپ ست جدید بنامهای ۹۵۵X و ۹۴۵P دارد. شرکت nvidia اخیراً ویرایش اینتل SLI که پروسسورهای دو هسته‌ای را پشتیبانی می‌کند را به بازار عرضه کرده ‌است که این مورد هم زمان بیشتری را مصرف و هم هزینه‌ای اضافی برای مصرف کننده در پی دارد.

گرما و پهنای باند :
هر دو پردازشگرهای تک هسته‌ای AMD و Intel گرمای فوق‌العاده زیادی تولید می‌کردند، که هیت سینک‌های فوق‌العاده بزرگی که برای آنها استفاده می ‌شود گویای این مطلب می‌باشد. حال با اضافه کردن یک هسته اضافی چگونه می‌توان این پردازشگرها را خنک نمود.
ولی AMD و Intel از چندین روش برای خنثی کردن این موضوع استفاده کرده‌اند، ابتدا آنکه در ساخت این پردازشگرها از تکنولوژی ۹۰nm استفاده شده که باعث کوچکتر شدن CPU ونزدیکتر شدن قسمتهای مختلف بر روی CPU شده و در نتیجه گرمای تولید شده را به مقدار زیادی کاهش می‌دهد و دوم آنکه فرکانس کاری این CPU ها بمقدار حدود ۴۰۰MHz نسبت به آخرین CPU های تک هسته ای کاهش پیداکرده و همچنین هسته دوم همیشه بصورت کامل کار نمی‌کند این سه مطلب باعث می‌گردد که گرمای تولید شده بمقدار خیلی زیادی نسبت به CPU های تک هسته‌ای افزایش نیابد.
پهنای باند بکار رفته محدودیت بزرگتری برای CPU های دو هسته‌ای می‌باشد، زیرا هر دو AMD و Intel پهنای باند برای CPU های تک هسته‌ای را برای این نوع CPU ها نیز حفظ کرده‌اند و طرحی برای افزایش آن ندارد.

دو پردازشگر تک هسته ای در مقابل یک پردازشگر دو هسته‌ای
محاسبات و بررسی طرحهای موجود نشان می‌دهد که دو چیپ اپترن AMD باید دارای سرعت بالاتری نسبت به یک چیپ دو هسته‌ای باشد، زیرا هر یک از این OPTERON ها دارای یک کنترل کننده حافظه مجزا می‌باشد ولی در چیپ‌های دو هسته‌ای هر دو هسته باید یک کنترل کننده حافظه را بصورت مشترک استفاده کنند.
در مورد اینتل این موضوع مطرح نمی‌باشد زیرا در هر دو طرح یک کنترل کننده حافظه در خارج از CPU استفاده می شود و فقط در طراحی دوهسته ای این مسیرها کوتاه‌تر می‌باشند که چندان پارامتر مطرحی در افزایش سرعت نمی‌باشد.
یکی از بزرگترین مزایای پردازشگرهای دو هسته‌ای نسبت به دو پردازشگر تک هسته‌ای بحث اقتصادی آن می‌باشد، زیرا اولاً خرید یک CPU دو هسته‌ای از دو CPU تک هسته‌ای ارزانتر می‌باشد و از طرف دیگر باید قیمت مادربرد را نیز لحاظ کرد که در این صورت این موضوع بیشتر جلب توجه می‌نماید.

هارد دیسک

هارد دیسک

هارد دیسک(HDD، که پیش از این به عنوان دیسک گردان ثابت شناخته می شد) یک حافظه دائمی است که بطور دیجیتالی رمزنگاری شده و اطلاعات را روی سطح مغناطیسی دیسک های خود ذخیره می کند.

هارد دیسک ها در ابتدا برای استفاده در کنار کامپیوتر تولید شدند و بعد ها از آن ها در داخل کامپیوتر استفاده شد. با گذشت زمان کاربرد های هارددیسک از حیطه کامپیوتر فراتر رفت .بطوریکه در تجهیزات ضبط تصویر ،پخش صدا ، همچنین در سیستم ها و دوربین های دیجیتال مورد استفاده قرار گرفت . در سال ۲۰۰۵ اولین تلفن های همراه ِ دارای هارد دیسک توسط شرکت های نوکیا و سامسونگ ارائه شد. ایجاد نیاز به حافظه های بزرگ ، قبال اعتماد و مستقل ، منجر به تولید ساختارهایی همچون RAID ،سخت افزار هایی همچون NASحافظه های متصل به شبکه) و سیستم هایی همچون SAN شبکه های ذخیره اطلاعات) شد تا بتوان بطور موثر به حجم بالایی از اطلاعات دسترسی پیدا کرد.

با گذشت زمان، ظرفیت هارد دیسک ها رشد نمایی داشته است. در کامپوتر های شخصی ابتدایی یک درایو با ظرفیت ۲۰ مگابایت بزرگ به نظر می رسید. در نیمه دوم دهه ۹۰ ،هارد درایو هایی با ظرفیت یک گیگابایت و حتی بزرگتر به بازار آمد. از سال ۲۰۰۶ کوچکترین هارد دیسکی که برای کامپیوتر های خانگی تولید می شود ظرفیتی برابر ۴۰ گیگابایت دارد. اکنون بیشترین ظرفیت در درایو های داخلی ۰/۷۵ ترابایت(۷۵۰ گیگابایت) و در درایو های خارجی با استفاده ازچند درایو داخلی از یک ترابایت نیز فراتر میرود.

این درایو های داخلی ظرفیت ذخیره سازی خود را با استفاده از شیوه ضبط ستونی افزایش داده اند.

تکنولوژی

هارد درایو ها با تحت میدان قرار دادنِ یکسری مواد مغناطیسی اطلاعات را درخود ضبط می کنند. و با تشخیص مغناطیس شدگی آن ماده اطلاعات را از روی آن می خوانند. طرح کلی یک هارد دیسک تشکیل شده از یک مخروط که یک یا چند صفحه مسطح و گرد را نگه می دارد ،اطلاعات بر روی این صفحات ذخیره می شوند. این صفحه ها از یک ماده غیر مغناطیسی( اغلب شیشه یا آلومینیوم) ساخته می شوند و با یک لایه نازک از مواد مغناطیسی روکش می شوند. در درایو های قدیمی از تری اکسید آهن به عنوان ماده مغناطیسی استفاده می شد اما امروزه از آلیاژهای کبالت پایه استفاده می کنند.

صفحات با سرعت های بالا به گردش در می آیند.اطلاعات در حین چرخش صفحات بر ری آنها نوشته می شوند.این کار توسط مکانیزمی با نامِ: هد خواندن/ نوشتن انجام می شود. این هد با فاصله بسیار کم بالای سطح مغناطیسی حرکت می کند. از این وسیله برای تشخیص و تغییر در وضعیت مغناطیس شدگیِ ماده زیر آن استفاده می شود. به ازای هر صفحه مغناطیسی بر روی مخروط ، یک هد وجود دارد که همه آنها بر روی یک بازوی مشترک سوار شده اند. همینطور که صفحات دوران می کنند یک بازوی محرک، هد ها را (به آرامی و با حرکت شعاعی ) روی یک مسیر قوس دار، بر روی صفحات به حرکت در می آورد.با اینکار به هر هد اجازه داده می شود که تقریبا به تمام سطح صفحهء در حال دوران دسترسی پیدا کندد.

سطح مغناطیسی هر صفحه به تعداد زیادی محدوده های کوچک مغناطیسی تقسیم می شود. (اندازه این محدوده ها در حد میکرون می باشد). هر کدام از این محدوده ها برای رمزنگاری یک واحد باینری اطلاعات مورد استفاده قرار می گیرند.در هارد درایو های امروزی ، هر یک از این محدوده های مغناطیسی از چند صد دانه مغناطیسی تشکیل شده اند. هر محدده مغناطیسی ، یک دوقطبی مغناطیسی را تشکیل می دهد که این دو قطبی ها یک حوزه مغناطیسی متمرکز را در نزدیکی خود ایجاد می کنند.

یک هد نوشتن، با ایجاد میدان مغناطیسی قوی در نزدیکی محدوده های مغناطیسی ، آن را تحت اثر خود قرار داده مغناطیس می کند. در هارد دیسک های اولیه برای خواندن اطلاعات از همان القاء کننده ای استفاده می شد که موقع نوشتن مورد استفاده قرار گرفته بود. اما با تکنولوژی جدید هد مخصوص نوشتن و هد مخصوص خواندن از هم جدا شده اند ، با این وجود هر دوی آنها روی یک بازوی محرک قرار دارند.

اغلب هارد درایو ها دارای یک پوشش محکم و کیپ هستند که از محتویات درایو در برابر جمع شدگی ،گرد و غبار و دیگر عوامل آلودگی محافظت می کند. هد خواندن / نوشتنِ هارد درایو بالای صفحات مغناطیسی و بر روی یک بالشتک هوا که ضخامتی در حد چند نانومتر دارد حرکت می کند. بنابراین سطوح صفحات و محتویات داخلی درایو باید پاک نگه داشته شوند تا با توجه به فاصله نانومتری بین صفحات و هد ،از صدمات ناشی از اثر انگشت ، غبار، مو، ذرات دود و غیره جلوگیری شود.

استفاده از صفحات صلب همچنین کیپ و عایق کردن هارد دیسک ، تولرانس بهتری را نسبت به فلاپی دیسک فراهم میکند.بنابراین هارد دیسک ها در مقایسه با فلاپی دیسک ها مقدار بیشتری اطلاعات را می توانند در خود ذخیره کنند. همچنین قابلیت دسترسی و انتقال اطلاعات در هارد دیسک ها سریع تر می باشد. در سال ۲۰۰۶ یک هارد دیسک باید بتواند بین ۸۰ تا ۷۵۰ مگابایت اطلاعات را در خود جای دهد، با سرعتی بین ۷۲۰۰ تا ۱۰۰۰۰ درو در دقیقه بچرخد و سرعت انتقال ترتیبی اطلاعات در آن باید بیشتر از ۵۰ مگابایت در هر ثانیه باشد. سریع ترین هارد درایوهای مربوط به سرور ها و ایستگاه های کاری با سرعتی معادل ۱۵۰۰۰ دور در دقیقه می چرخند و سرعت انتقال ترتیبی اطلاعات در آنها بالغ بر ۸۰مگابایت در هر ثانیه می باشد. هارد دیسک ها ی مربوط به نوت بوک ها که از نظر فیزیکی کوچکتر از نمونه های خانگی هستند، معمولا دارای سرعت و ظرفیت پایین تری میباشند. اغلب این هارد دیسک ها با سرعتی در حدود ۴۲۰۰ دور در دقیقه می چرخند. البته لازم به ذکر است که جدید ترین انواع این دسته هارددیسک ها دارای سرعتی معادل ۷۲۰۰ دور در دقیقه می باشند.

تاریخچه:

برای سالها ، هارد دیسک ها تجهیزات بزرگ و سنگین بودند و به دلیل بزرگی ، سنگینی ، حساسیت بالا و مصرف زیاد انرژی ، بیشتر برای محیط های حفاظت شدهء یک مرکز اطلاعات یا دفاتر بزرگ مناسب بودند تا محیط های خشن و ناملایم صنعتی ،خانه ها یا دفاتر کوچک .

یک هارد دیسک قدیمی IBM در سال ۱۹۷۹

تا قبل از دهه ۸۰ میلادی اغلب هارد دیسک ها صفحات ۸ اینچی (۲۰ سانتی) یا ۱۴ اینچی( ۳۵) سانتی داشتند. و برای نگه داری آنها نیاز به فضای زیادی بود.( مخصوصا درایو های بزرگ قابل حمل و نقل (قابل نصب و برداشت) که به خاطر بزرگی به ماشین های لباسشویی معروف بودند). این گونه هارد درایو ها به علت داشتن موتور های بزرگ، به منبع تغذیه سه فاز و آمپراژ بالا نیاز داشتند. به همین دلیل تا سال ۱۹۸۰ برای میکروکامپیوتر ها از هارد دیسک استفاده نمی شد. تا اینکه در این سال شرکت seagate tecnology اولین هارد درایو ۵/۲۵ خود را با ظرفیت ۵ مگابایت تحت عنوان ST-۵۰۶ به بازار ارائه کرد. در واقع تا آن زمان کامپیوتر های شخصی اولیه IBM یعنی IBM۵۱۵۰ مجهز به هارد دیسک نبودند.

در اوایل دهه ۸۰ اغلب هارد دیسک های مربوط به میکرو کامپیوتر ها با نام تولید کننده خود به فروش نمی رسیدند بلکه به وسیله OEM ها به عنوان بخشی از یک مجموعه بزرگتر (مانند Corvus Disk System یا Apple proFile) فروخته می شدند. کامپیوتر های نوع IBM PC/XT دارای هارد دیسک داخلی بودند و این باعث ایجاد تمایل عمومی به خرید درایو های خام (از طریق پست) و نصب مستقیم آنها در داخل سیستم شد. سازندگان هارد دیسک شروع به بازاریابی کردندو بالاخره طولی نکشید که در اواسط دهه ۹۰ هارد دیسکها در قفسه مغازه های خرده فروش نیز قرار گرفتند.

هارد درایو های داخلی کم کم به یک گزینه رایج در کامپیوتر های PC تبدیل شدند و هارد درایو های خارجی محبوبیت خود را برای مدتها مخصوصا در بین انواع Apple Macintosh و انواع مشابه آن حفظ کردند. تمامی کامپیوتر های ساخت Mac بین سال های ۱۹۸۶ تا ۱۹۹۸ یک پورت SCSI در پشت خود داشتند که جداسازی خارجی را آسان می ساخت . به دلیل شرایط موجود، هارد درایو های خارجیSCSI تنها گزینه منطقی به نظر می رسیدند.

هارد درایو های خارجیSCSI همچنین در میکرو کامپیوتر های قدیمی تر مانند سری Apple II به کار می رفتند، همچنین از آنها حتی امروزه بطور گسترده ای در سرور ها استفاده می شود. ظهور رابط های پرسرعت خارجی مانند USB و Fire Wire در اواخر دهه ۹۰ ، به کاربرد درایو های خارجی در بین کاربران جانی دوباره داد.به طور اخص کاربرانی که حجم بالایی از اطلاعات را بین دو یا چند محل جا به جا می کردند از این سیستم استقبال کردند. امروزه اغلب تولید کننده گان هارد دیسک ، دیسک های خود را به صورت خارجی نیز می سازند.

خصوصیات هارد دیسک:
* ظرفیت معمولا با گیگابایت بیان می شود.
* اندازه فیزیکی معمولا با اینچ بیان می شود:

امروزه تقریبا تمام هارد دیسک هایی که در کامپیوتر های رومیزی (خانگی - اداری) و نوت بوک ها استفاده می شوند ، ۳/۵ یا ۲/۵ اینچی هستند. هارد دیسک های ۲/۵ اینچی معمولا کند تر هستند و حجم کمتری نیز دارند اما در عوض برق کمتری مصرف می کنند و مقاومت به ضربه و تکان در آنها بیشتر است. اندازه دیگری که استفاده از آن بطور فزاینده ای در حال رشد است نوع ۱/۸ اینچی می باشد که درmp۳ player ها و نوت بوک های کوچک مورد استفاده قرار می گیرد.این نوع از هارد درایو ها مصرف انرژی بسیار پایینی دارند ودر مقابل ضربه بسیار مقاوم می باشند.

علاوه بر موارد مذکور انواع دیگری نیز موجود می باشندکه در ادامه به توضیح آنها پرداخته می شود:

نوع یک اینچی که طوری طراحی شده اند تا با ابعاد کانال های فیبری نوع دوم(FC Type II) جور باشند. از این نوع هاردیسک در تجهیزات قابل حمل و نقل از جمله دوربین های دیجیتال نیز استفاده می شود. همچنین نوع ۰/۸۵ اینچی نیزتوسط شرکت توشیبا جهت استفاده در گوشی های تلفن همراه و کاربرد های مشابه آن ساخته شده است. طراحی سایز هاردیسک ها کمی گیج کننده است ، به عنوان مثال یک دیسک درایو ۳/۵ اینچی دارای کیسی با پهنای ۴ اینچ می باشد. علاوه بر این هاردیسک های مخصوص سرور در دو اندازه ۳/۵ و ۲/۵ اینچی تولید می شوند.

* قبلیت اعتماد، با واحد (MTBF) یا فاصله زمانی بین خطاها سنجیده می شود.

درایو های ۱ ایچی ساتا (SATA) سرعت هایی تا حدود ۱۰۰۰۰ دور در دقیقه را ساپورت می کنند . و دارای MTBF برابر با یک ملیون ساعت با چرخه فعالیت سبک ۸ ساعته می باشند. درایو های FC قابلیت چرخیدن با سرعت ۱۵۰۰۰ دور در دقیقه را دارا هستند و MTBF آنها برابر با ۱/۴ ملیون ساعت با ۲۴چرخه فعالیت ساعت ۲۴ ساعته می باشد.

* تعداد فعالیت های ورودی خروجی در هر ثانیه:

دیسک های جدید در هر ثانیه قادرند ۵۰ دسترسی اتفاقی و یا ۱۰۰ دسترسی ترتیبی را برآورده سازند.

* مصرف انرژی( این موضوع به خصوص در رابطه با لب تاپ هایی که از باطری استفاده می کنند حائز اهمیت می باشد).

* شدت صدا و نویز تولید شده بر حسب دسی بل (db).( البته بسیاری افراد آن را برحسب بل می سنجند نه دسی بل.)

* میزان G Shock ( که در درایو های جدید بسیار بالا می باشد)

* سرعت انتقال اطلاعات:

درایو های داخلی : از ۴۴/۲ تا ۷۴/۵ مگابایت در هر ثانیه.

درایو های خارجی: از ۷۴ تا ۱۱۱/۴ مگابایت در هر ثانیه.

* سرعت دسترسی تصادفی : از ۵ تا ۱۵ میلی ثانیه.

سنجش ظرفیت:

تولید کنندگان هارد درایو معمولا ظرفیت درایو را با استفاده از پیشوندهای SI مشخص می کنند. پیشوند های گیگا و مگا از این دسته اند. تاریخچه این نام گذاری به زمانی بر میگردد که ظرفیت ذخیره سازی از مرز ملیون بایت فراتر رفت . یعنی بسیار قبل تر از پیشوند های استاندارد باینری ( حتی قبل از اینکه پیشوند های SI درسال ۱۹۶۰ ایجاد شوند.)

IEC در سال ۱۹۹۹ ، پیشوند های باینری را استاندارد کرد. بعد از آن بسیاری از دست اندر کاران تولید کامپیوتر و نیمه رساناها عبارت کبلو بایت را برای ۱۰۲۴ بایت پذیرفتند. دلیل پذیرش عبارت مذکور این بود که عدد ۱۰۲۴ به اندازه کافی به پیشوند کیلو(۱۰۰۰) نزدیک بود. بعضی مواقع این استاندارد غیر SI یک توصیف کننده نیز به همراه خود داشت،مثلا: ۱ KB = ۱۰۲۴ Bytes . اما این توصیف کننده، به خصوص در بین بازاریان کم کم حذف شد. این روند به تدریج تبدیل به عادت شد و به دنبال آن پیشوندهای مگا ، گیگا،ترا و حتی پتا نیز مورد استفاده قرار گرفتند.

سیستم های عامل و نرم افزار های کاربردی آنها ( به ویژه سیستم عامل های گرافیکی مثل مایکروسافت ویندوز اغلب ظرفیت را با پیشوند های باینری بیان می کردند. و همین امر باعث شد تا بین ظرفیت اعلام شده از طرف تولید کنندگان و ظرفیت گزارش شده توسط سیتم های عامل اختلاف ایجاد شود. این اختلاف مخصوصا در مورد هارد درایو های با ظرفیت چندین گیگابایت بیشتر به چشم می آمد. کاربران اغلب متوجه می شدند که ظرفیت گزارش شده توسط سیستم عامل بسیار کمتر از ظرفیت اعلام شده توسط تولید کننده است . به عنوان مثال مایکروسافت ویندوز ۲۰۰۰ ، ظرفیت درایو را درسیستم دسیمال (ده دهی) با ۱۲ رقم و در سیتم باینری با ۳ رقم بیان میکرد. بنابر این هارد درایوی که ظرفیت آن توسط تولید کننده ۳۰ گیگابایت اعلام شده بود، توسط ویندوز، ۳۰۰۶۵۰۹۸۵۶۸ بایت یا ۲۸ گیگابایت گزارش می شد. تولید کنندگان هارد درایو از اصطلاح گیگا (۱۰ به توان ۹) در سیتم SI استفاده می کردنند که تقریب خوبی برای گیگا بایت به حساب می آمد.ولی سیتم عامل ها گیگابایت را۳۰^۲ ، یعنی ۱۰۷۳۷۴۱۸۲۴ بایت تعریف می کردند.بنابراین ظرفیت گزارش شده توسط سیستم عامل بیشتر نزدیک به ۲۸ گیگابایت بود.به همین علت بسیاری از نرم افزار ها که ظرفیت را گزارش می دادند شروع به استفاده از پیشوند های استاندارد IEC کردند.(مثلا KiB ، MiB و GiB ).

بسیاری افراد اشتباها اختلاف در گزارش ظرفیت را به فضای اختصاص داده شده به اطلاعات مربوط به پارتیشن بندی و فایل های سیستم، نسبت می دهند.اما حتی برای فایل سیستم های بسیار بزرگ (چند GiB) ، فضای مرد نیاز از چند MiB تجاوز نمی کند.بنابراین فرضیه نمی تواند توجیه قانع کننده ای برای گم شدن ده ها گیگابایت باشد.

ظرفیت یک هارد دیسک را می توان با استفاده از رابطه زیرمحاسبه کرد:

ظرفیت هارد درایو= تعداد سیلندر ها× تعداد هد ها × تعداد سکتور ها ×۵۱۲

جامعیت:

در حین حرکت دیسک ،سیستم مخروط هارد دیسک به کمک فشار هوای داخل محفظه درایو، هد ها را در ارتفاع مناسبی از صفحه های مغناطیسی قرار می دهد. برای اینکه یک هارد درایو به خوبی کارکند به مقدار معینی فشار هوا نیاز دارد. ارتباط با محیط خارج و فشار اتمسفر از طریق یک سوراخ کوچک(تقریبا به قطر ۱/۲ میلیمتر) که روی درپوش قرار دارد میسر می شود.که معمولا یک فیلتر کربنی از داخل روی آن را پوشانده(فیلتر تنفسی). اگر فشار هوا خیلی پایین باشدهد ها به اندازه کافی از جای خود بلند نمی شوند و در ارتفاع مناسبی قرار نمی گیرند و خطر برخورد هد ها با صفحه و از دست رفتن اطلاعات وجود دارد. برای کارکرد در ارتفاع زیاد(۳۰۰۰ متر) به درایو های عایق و تنظیم فشار شده نیاز داریم. بدین منظور درایو های جدید دارای سنسور های دما هستند تا بتوانند فعالیت خود را با محیط اطرافشان تطبیق دهند.

مجاورت با رطوبت بالا برای مدت زمان طولانی باعث ایجاد خوردگی در هد ها و دیسک ها می شود. اگر درایو برای قرار دادن هد های خود بر روی صفحات از تکنولوژی کلید های قطع و وصل تماسی(CSS ) استفاده کند ، رطوبت افزایش یافته و باعث افزایش تمایل چسبندگی هدها به صفحات مغناطیسی می گردد.این پدیده ممکن است منجر به وارد آمدن صدمات فیزیکی به دیسک و موتور شود همچنین ممکن است باعث برخورد هد با صفحات مغناطیسی گردد.

سوراخ های تنفس بر روی تمام هارد درایو ها دیده می شوند و معمولا در کنار خود یک برچسب هشدار دهنده دارند که به کاربر هشدار می دهد که این سوراخ ها را نپوشاند. هوای داخل درایو در حال کار ،پیوسته در حال حرکت است . هوا بر اثر اصطکاک با صفحات در حال چرخش دیسک به حرکت در می آید. این هوا از یک فیلتر داخلی عبور داده می شود تا از هرگونه آلودگی ناشی از فرآیند تولید ،ذرات یا مواد شیمیایی که به نحوی داخل محفظه شده اند و ذراتی که در حین کارِ درایو ایجاد شده اند پاک شود.

با توجه به فاصله بسیار کم بین هدها و صفحات ، هرگونه آلودگی روی آنها منجر به برخود هد با صفحه مغناطیسی خواهد شد.هد پس از برخورد با صفحه آن را می خراشد و لایه نازک مغناطیسی آن را از بین می برد. در مورد هد های بزرگ مقاومتی مغناطیسی(GMR) وجود آلودگی های بسیار کم (که حتی باعث خراشیده شدن صفحات نمی شوند) به علت ایجاد اصطکاک با سطح صفحات منجر به داغ شدن بیش از حد هد می گردند . گرم شدن بش از حد هد موجب می گردد که اطلاعات بطور موقت یعنی تا زمانی که هد دمای نرمال خود را بدست بیاورد غیر قابل خواندن شوند. این عارضه را که نامیزانی حرارتی نامیده می شود می توان به وسیله فیلتر کردن الکترونیکی سیگنال خوانده شده بر طرف کرد. علاوه بر مورد ذکر شده موراد دیگری نیز می توانند به برخورد هد با صفحات مناطیسی منجر شوند از جمله: خطاهای الکترونیک، ضربه های فیزیکی ، فرسودگی ،خوردگی و تولید نامناسب هد ها یا صفحات. در اغلب درایو های سرور وقتی سیستم خاموش می شود هد ها در منطقه ای که منطقه ی فرود نامیده می شود قرار می گیرند . منطقه فرود محدوده ای از دیسک است که اطلاعات در آنجا ذخیره نمی شود و معمولا نزدیک مرکز صفحه قرار دارد. به این منطقه CSS نیز گفته می شود( منطقه شروع و توقف تماسی). اما در مدل های قدیمی هارد درایو توقف های ناگهانی و خطاهای منبع تغذیه در برخی موارد باعث می شد که هد ها بر روی محدوده های ذخیره اطلاعات فرود بیایند که خطر از دست رفتن اطلاعات را افزایش می داد. در واقع قبلا باید طی فرآیندی هد ها از روی دیسک کنار رفته و به اصطلاح پارک می شدند و بعد سیستم خاموش می شد. در درایو های جدید ، هنگام قطع ناگهانی برق از فنر های خاصی(در ابتدا) و یا از نیروی گریز از مرکز و اینرسی چرخشی صفحات برای پارک کردن هد ها استفاده می شود.

قطعات الکترونیکی هارد درایو حرکات بازوی محرک و چرخش دیسک را کنترل می کنند. و با توجه به دستوری که از کنترل گر دیسک دریافت می کنند ،امکان خواندن ونوشتن بر روی دیسک را فراهم می سازند . لخت افزار های درایو های جدید(لخت افزار ترکیبی است از سخت افزار و نرم افزار )قادرند که فرآیند خواندن /نوشتن بر روی دیسک را برنامه ریزی کرده و سکتور هایی را که دچار خطا شده اند اصلاح نمایند. همچنین امروزه اغلب هارد درایو ها و مادر بردها از تکنولوژی SMART برخوردارند. ( تکنولوژی کنترل ، تحلیل و گزارش اتومات ) . به وسیله این تکنولوژی خطا های احتمالی پیشبینی شده و به کاربر هشدار داده می شود تا از صدمه دیدن اطلاعات جلوگیری شود.

مناطق فرود:

توضیح تصویر: میکرو فوتوگراف مربوط به یک هد هارد دیسک. اندازه صفحه روبرویی ۰/۳×۰/۱ میلیمتر می باشد. کفلغزنده (که در شکل دیده نمی شود) ابعادی برابر با ۰/۱×۱/۲۵ میلیمتر دارد(اندازه نانومتری) که همین وجه ازمیکرو فوتوگراف بالای صفحه مغناطیسی قرار می گیرد. یکی دیگر از قسمت های حیاتی هد، ساختار گرد و نارنجی رنگ وسط تصویر است. به سیم ها و اتصلات الکتریکی متصل به تشتک های طلایی توجه کنید.

در حدود سال ۱۹۹۵ IBM تکنولوژی را ارائه داد که در آن مناطق فرود با پردازش دقیق لیزری تعیین می شدند. (LTZ ) .در این تکنولوژی یک ردیف برجستگی نانومتری و بسیار ظریف در مرکز صفحات ایجاد می شوند که عمل درگیری ونگه داشتن هد را تسهیل می کنند. این تکنولوژی امروزه نیز بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. چند سال بعد از آن ، IBM تکنولوژی تخلیه ء هد را ارئه کرد که در تجهیزات قابل حمل و نقل مثل لب تاپ ها ودیگر انواع هارد دیسک ها مورد استفاده قرارمی گرفت. در این تکنولوژی، هد از روی صفحه برداشته می شود و بر روی یک برجستگی پله مانند درلبه صفحات قرار می گیرد .با این فرآیند خطر چسبیدگی و بروز خطا به علت ضربات فیزیکی کاهش یافت. امروزه تمامی تولید کننده گان برای تولید محصولاتشان یکی از این دو تکنیک را مورد استفاده قرار می دهند. هر دو روش دارای مزایا و معایب خاص خودشان هستند. از جمله ایراداتی که به این روش ها وارد است می توان به کمتر شدن فضای ذخیره سازی ، کنترل نسبتا مشکل تلرانس و هزینه های تولید و بکارگیری اشاره کرد.

IBM برای لب تاپ های سری Thinkpad خود، اقدام به طراحی سیستم حفاظت فعال کرد. وقتی یک ضربه یا حرکت ناگهانی توسط سنسور های حرکت داخل درایو حس می شد، هد های داخل هارددیسک از روی صفحات برداشته شده و در منطقه فرود قرار می گرفتند تا احتمال هرگونه صدمه و از دست رفتن اطلاعات و ایجاد خراش روی صفحات کاهش بابد. شرکت Apple نیز بعدها از این تکنولوژی تحت عنوان سنسور حرکت ناگهانی درPowerbookها،iBook ها ، MacBook pro هاوMacBook Line های خود استفاده کرد.

دسترسی و ارتباط :

دسترسی به هارد درایو ها عموما از طریق تعدادی از باس های زیر صورت می گیرد:

,و کانال های فیبری ATA (IDE, EIDE), Serial ATA (SATA), SCSI, SAS, IEEE ۱۳۹۴, USB.

در دوره رابط های ST-۵۰۶ ، روش ها و برنامه های رمزنگاری نیز حائز اهمیت بودند. در اولین دیسک ST-۵۰۶ از روش MFM (تلفیق بسامدی اصلاح شده) استفاده می شد. امروزه از این روش در فلاپی دیسک های ۱/۴۴ مگابایتی استفاده می شود که نرخ انتقال اطلاعات در آن برابر با ۵ مگابایت در ثانیه می باشد. بعدها کنترل کننده هایی که از RLL ۲.۷ استفاده می کردند ، سرعت انتقال را به ۱/۵ برابر یعنی ۷/۵ مگابایت در ثانیه افزایش دادند. این فرایند همچنین باعث افزایش ظرفیت درایو ها تا ۱/۵ برابر شد.

بسیاری از رابط های ST-۵۰ فقط برای کار در سرعت پایین MFM ضمانت شده بودند. در حالیکه مدل های دیگر (اغلب ورژن های گران قیمت تر از همان هارد درایو) برای کارد در سرعت بالای انتقال اطلاعات RLL طراحی شده بودند . در برخی موارد بر روی درایوها کاربیشتری انجام می شد تا بتوان از مدل های مربوط به MFM در سرعت های بالا نیز استفاده کرد. اگر چه قبلیت اعتماد در این موارد پایین می آمد و به همین دلیل این روش توصیه نمی شد.درایو های مخصوص RLL می توانشتند در شرایط MFM کارکنند ولی از سرعت و ظرفیت آنها تا میزان ۳۳ درصد کاسته می شد.

ESDI ( رابط کوچک ارتقاء یافته دیسک) هر دونوع سرعت را ساپورت می کرد. (درایو های ESDI قبلیت استفاده از RLL ۲.۷ را در سرعت های ۱۰، ۱۵ یا ۲۰ مگابایت در ثانیه دارا می باشد). گرچه اغلب اوقات درایو های ESDI با سرعت ۱۵ یا ۲۰ مگابایت با کنترل کننده های مدل های پایین تر از خود سازگار نبودند.( به عنوان مثال درایو های ۱۵ یا ۲۰ مگابایتی با کنترل کننده های ۱۰ مگابایتی کار نمی کردند.). درایو های ESDI دارای جامپر هایی بودند که تعداد سکتور های هر شیار و اندازه سکتور ها را تنظیم می کردند.

SCSI در ابتدا فقط یک سرعت داشت .۵ مگاهرتز. (به ازای نرخ انتقال اطلاعات حداکثر ۵ مگابایت در ثانیه). اما بعد ها این مقدار افزایش چشمگیری پیدا کرد. سرعت باس SCSI ربطی به سرعت درونی درایو ندارد.( به علت استفاده از حافظه میانی بینِ باس SCSI و باسِ اطلاعات درونی درایو. اگرچه اغلب درایو های اولیه دارای بافر های کوچکی بودند . وقتی از این درایو ها روی کامپیوتر های کم سرعت استفاده می شد باید مجددا پیکر بندی می شدند . مثل مدل های IBM سازگار با PC و مدل های Apple Macintosh .

درایو های ATA به خاطر طراحی خاص کنترل کننده هایشان، هیچگونه مشکلی با سرعت انتقال اطلاعات نداشتند. ولی بسیاری از مدل های اولیه بایکدیگر سازگار نبودند و هنگامی که دو درایو روی یک کابل قرار می گرفتند تنظیمات master/slave در آنها قابل اجرا نبود. این مشکل در اواسط دهه ۹۰ برطرف شد. این پیشرفت وقتی حاصل شد که خصوصیات ATA استاندارد شده و جزئیات غیر ضروری حذف شدند. اما هنوز هم این مشکل در مورد CD-ROM ها و DVD-ROM ها همچنین هنگام ترکیب تجهیزات فوق DMA و غیر UDMA به چشم می خورد .

ATA های سریال، با قراردادن هر قطعه بر روی کانال اختصاصی خود با پورت های ورودی خروجی مجزا ، کاملا از شر تنظیمات master/slave خلاص شدند .

هارددیسک های مدل۱۳۹۴ FireWire/IEEE وUSB(۱.۰/۲.۰) واحد های خارجی هستند که درایو های SCSI یا ATA با پورت هایی در پشت خود دارند. این پورت ها قابلیت حمل و نقل و جداسازی را بسیار ساده می کنند.

خانوادهء درایو هایی که در کامپیوتر های شخصی استفاده می شوند.:

مهمترین این گروه ها عبارتند از:

· درایو های MFM نیازمندند که ساختار الکترونیکی کنترل کننده در آنها با ساختار الکترونیکی درایو سازگار باشد.

· درایو های RLL( کارکرد محدود) که بعداز ابداع تکنیک تلفیقی به این نام خوانده شدند. این گونه درایو ها به کابل های بزرگ بین کنترل کننده های PC و خود هارد درایو نیاز دارند. این درایو ها کنترل کننده ندارند بلکه فقط یک ترکیب/ تلفیق کننده دارند.

· ESDI (یا رابط کوچک ارتقاء یافته دیسک) یک رابط است که توسط شرکت Maxtor برای سرعت دادن به ارتباط بین PC و دیسک تولید شده است .

· IDE (الکترونیک مجتمع درایو) که بعدها با نام ATA و PTA خوانده می شد.

کابلهای اطلاعات از ۴۰ سیم رسانا تشکیل شده بودند اما UMDA های مربوط به درایو های جدید تر به کابل های ۸۰ سیمی نیاز داشتند .( البته توجه داشته باشید که این کابل های ۸۰سیمی هنوز هم از کانکتورها و اتصال دهنده های ۴۰ خانه ای استفاده می کردند یعنی دو سیم برای هر خانه ).

تعداد پین های رابط از ۴۰ به ۳۹ کاهش یافت . پین حذف شده به عنوان کلیدی جهت جلوگیری از جازدن نادرست کابل به کانکتور استفاده می شود. این خطا یکی از عوامل رایج صدمه به درایو وکنترل کننده ها بود.

· SCSI ( رابط کوچک سیستم کامپیوتر) رقیب قدیمی ESDI ، در ابتدا با نام شرکت Shugart یعنی SASI خوانده می شد. در اواسط دهه ۹۰ درایو های SCSI برای استفاده در سرور ها ، ایستگاه های کاری و کامپیوتر های Apple Macintosh استاندارد شدند. تا این زمان اغلب مدل ها دارای IDE وبعدها SATA شده بودند. تنها در سال ۲۰۰۵ ظرفیت درایو های SCSI از درایو های IDE عقب افتاد.البته هنوز هم بهترین کیفیت عملکرد تنها با SCSI و کانال های فیبری حاصل میشود. محدودیت طول در کابل های اطلاعات باعث استفاده بیشتر از تجهیزات خارجی SCSI می گردد. کابل های اطلاعات نوع SCSI در انتقال یک طرفه اطلاعات استفاده می شوند. اما مدل سرور SCSI انتقال دو یا چند طرفه اطلاعات را نیز میسر می کند و هارد درایو های متصل به رابط های FCو حلقه های FC-AL از فیبر نوری استفاده می کنند.

FC-AL سنگ بنای شبکه های ذخیره اطلاعات می باشند. با این وجود پروتکل های دیگر نیز همچون iSCSI و ATA over Ethernet نیز پیشرفت خوبی داشته اند.

· SATA (Serial ATA):کابل اطلاعات SATA دارای یک جفت داده برای انتقال افتراقی اطلاعات به سیستم و یک جفت دیگر برای دریافت افتراقی اطلاعات از سیستم می باشد. این وضعیت نیازمند این است که اطلاعات به ترتیب انتقال داده شوند. ازهمین سیستم در RS۴۸۵, LocalTalk, USB, Firewire وSCSI نیز استفاده میشود

· SAS (Serial Attached SCSI). : SAS امروزه نسل جدیدی از پروتکل های ارتباطی است که جهت اسفاده در وسایل انتقال اطلاعات سرعت بالا طراحی شده است و با SATA نیز سازگاری دارد.

SAS به جای روش موازی از روش ارتباط ترتیبی استفاده می کند . این روش در سیستم های سنتی SCSI ابداع شد اما هنوز برای ارتباط با SAS از دستورات SCSI استفاده می شود.

· EIDE: یک ارتقاءغیر رسمی ِ IDE اولیه می باشد که توسط شرکت Western Digital انجام شد. که در آن از بهبود کلید ها برای استفاده DMA جهت انتقال اطلاعات بین کامپیوتر و درایو استفاده شده است .در همین زمینه پیشرفت دیگری توسط استاندارد های ATA پذیرفته شد. از DMA برای انتقال اطلاعات بدون اینکه CPU و یا برنامه خاصی درگیر انتقال هر کلمه باشد ، استفاده می شود. این ویژگی ، این امکان را فراهم می کند که هنگام انتقال اطلاعات CPU ، برنامه های اجرایی و سیستم عامل به کار های دیگر بپردازند.

عنوان معنا توضیحات

SASI رابط های سیستم شوگارت قدیمی تر از SCSI

SCSI رابط های کوچک سیستم کامپیوتر از ریشه باس که فعالیت های همزمان را برعهده دارد

ST-۴۱۲ - رابط های شرکت سی گیت

ST-۵۰۶ - رابط های شرکت سی گیت( جدید تر از ST-۴۱۲

ESDI رابط های کوچک ارتقاء یافته دیسک نوع تقویت شده وسریعتر از انواع ST که در عین حال با انواع قدیمی نیز سازگاری دارد

ATA ملحقات تکنولوژی پیشرفته کامل تر از انواع فوق . اما ناتوان از انجام فعالیت های هم زمان

تولید کنندگان:

هارد درایو ۵/۲اینچی لب تاپ مدل Hitachi
امروزه اغلب هارد دیسک های موجود در بازار توسط یکی از شرکت های زیر تولید می شوند:
Seagate, Maxtor ( که در سال ۲۰۰۶ به مالکیت Seagate درآمد) ، Western Digital, Samsung و Hitachi. درمورد کمپانی Hitachi لازم به ذکر است که این شرکت در ابتدا هارد درایو های مخصوص کامپیوتر های IBM و Fujitsu را تهیه می کرد و امروزه به تولید هارد درایو های مخصوص سرور ها و تجهیزات قابل حمل و نقل می پردازد و در سال ۲۰۰۱ از بازار درایو های کامپیوتر های خانگی خارج شد. شرکت توشیبا نیز یکی از تولید کنندگان عمده درایو های ۵/۲ و ۸/۱ اینچی برای لب تاپ هاست.

تعداد زیادی از تولید کنندگان قدیمی هارددرایو از عرصه تجارت خارج شدند یا بخش تولید هارد درایو خود را تعطیل کردند. با افزایش تقضا برای سرعت ها و ظرفیت های بالا ، رسیدن به سود دراین بازار مشکل شد. در اواخر دهه های ۸۰ و ۹۰ بازار بسیار راکد بود.

اولین شرکتی که در این اوضاع صدمه دید شرکت Computer Memories Inc. یا همان CMI بود . بعد از حادثه بروز عیب در ۲۰مگابایت از هارد درایوهای تولیدی در سال ۱۹۸۷ ، این شرکت دیگر هیچگاه سامان نگرفت و در سال ۱۹۸۷ از بازار خارج شد . شکست قابل توجه دیگر مربوط به شرکت MiniScribe بود. این شرکت در سال ۱۹۹۰ به علت فروش نرفتن تولیداتش ورشکسته شد .بسیاری شرکت های کوچک دیگر مانند Kalok, Microscience LaPine, Areal, Priam , PrairieTek، در این رکود دوام نیاوردند. تا سال ۱۹۹۳ ناپدید شدند. Micropolis تا سال ۱۹۹۷ دوام آورد و شرکت JTS که دیرتر پا به عرصه گذاشته بود چند سالی بیشتر عمر نکرد و در سال ۱۹۹۷ بعد تلاش برای تولید هارد دیسک در هند با استفاده از یک کارخانه دست دوم ورشکست شد. در طی دهه ۸۰ شرکت Rodime یکی از تولید کنندگان بزرگ به شمار می آمد اما بعد از رکود بازار در اوایل دهه۹۰ از دور خارج شد و اکنون در زمینه اهداء گواهی تکنوولوژی فعال است .آنها دارای تعدادی امتیاز تولید وگواهی ثبت در رابطه با هارد درایو می باشند.

*۱۹۸۸:» شرکت تاندون بخش تولید دیسک خود را به شرکت Western Digital که یک شرکت خوش نام در طراحی کنترل کننده ها بود واگذار کرد.

* ۱۹۸۹: شرکت Seagate Technology بخش تجاری تولید دیسک شرکت Control Data را خریداری کرد.

*۱۹۹۰: شرکت مکستور شرکت MiniScribe را بعد از ورشکستگی خریداری کرد و آن را هسته بخش تولید درایو خود کرد.

۱۹۹۴: شرکت Quantum بخش سیستم های ذخیره سازی DEC را خرید

*۱۹۹۵: شرکت Conner Peripherals که توسط یکی از بنیانگذاران مکستور و با استفاده از کارکنان شرکت MiniScribe تاسیس شده بود ، تلفیق خود را با شرکت مکستور اعلام کرد که در سال ۱۹۹۶ این فرایند تکمیل شد.

* ۱۹۹۶: شرکت JTS که با عنوان Atari شروع به کار کرده بود .هارد درایو های تولیدی خود را به بازار عرضه کرد. Atari در سال ۱۹۹۸ به Hasbro فروخته شد. و خود JTS در سال ۱۹۹۹ ور شکسته شد.

* ۲۰۰۰ شرکت Quantum بخش تولید دیسک خود را به مکستور فروخت . تا برروی نوار ها و تجهیزات پشتیبان گیری تمرکز کند.

* ۲۰۰۳: شرکت IBM، در پی شکستDeskstar ۷۵GXP، بخش عمده ی تولید دیسک خود رابه شرکت هیتاچی واگذار کرد. بدین ترتیب این شرکت نام جدید HGST را به خود گرفت.

* ۲۰۰۵: سی گیت و مکستور برای به هم پیوستن اعلام تمایل کردند بدین ترتیب در سال ۲۰۰۶شرکت سی گیت با هزینه ۹/۱ ملیون دلار مالک مکستور شد.

تعیین تعداد پاره خط درچهارضلعی های پیاپی

در اين فرمول فقط می‌توان تعداد پاره خط‌هاي چهار ضلعی هايی که به صورت پشت سر هم هستند را حساب کرد. مانند شکل زير كه سه چهار ضلعي در كنار هم قرار گرفتند.

اگر تعداد نقاط را m، تعداد خطوط افقي را w و تعداد خطهاي عمودي را h بگيريم آنگاه تعداد پاره خطها برابر است با:

h+(m*w)/۴

و به طور كلي اگر تعداد چهار ضلعي ها را n بگيريم، تعداد پاره خطها از فرمول زير حاصل مي شود:

(n+۱)^۲

مثال: شكل بالا را در نظر بگيريد. تعداد خط‌هاي عمودي= ۴، تعداد نقطه‌ها = ۸، تعداد خط‌هاي افقي= ۶.  لذا براي تعداد پاره خطهاي موجود در آن خواهيم داشت:

۴+(۸*۶)/۴= ۱۶

يا براساس تعداد چهارضلعي ها داريم:

(۳+۱)^۲=۱۶

طرز کار راکت فضایی

طرز کار راکت فضایی

مقدمه:
یكی از عجیب ترین كشفیات انسان دسترسی به فضا است كه پیچیدگی و مشكلات خاص خود را دارد. راه یابی به فضا پیچیده است، چرا كه باید با بسیاری از مشكلات روبرو شد. مثلا:
- وجود خلا در فضا
- مشكلات گرما و حرارت
- مشكل ورود مجدد به زمین
- مكانیك مدارها
- ذرات و باقی مانده های فضا
- تابش های كیهانی و خورشیدی
- طراحی امكانات برای ثابت نگه داشتن اشیا در بی وزنی

ولی بزرگترین مشكل ایجاد انرژی لازم برای بالا بردن فضاپیما از زمین است كه برای درك این موضوع باید به بررسی طرز كار موتورهای موشك پرداخت.

در یك دیدگاه ساده، می توان موتورهای موشك را به آسانی و با هزینه ای نسبتا كم طراحی كرد و حتی آن را به پرواز درآورد اما اگر بخواهیم مسئله را در سطح كلان بررسی كنیم با مشكلات و پیچیدگی های بسیاری مواجه هستیم و این موتورهای موشك (و به خصوص سیستم سوخت آن ها) آنقدر پیچیده است كه تا به حال تنها سه كشور توانسته اند با استفاده از این فناوری انسان را در مدار زمین قرار دهند.

در این مقاله ما موتورهای موشك های فضایی را مورد بررسی قرار می دهیم تا با طرز كار و پیچیدگی های آن ها آشنا شویم.

نكات پایه ای:

عموما وقتی كسی درباره موتورها فكر می كند، خود به خود مطالبی درباره چرخش برایش تداعی می شود.برای مثال حركت متناوب پیستون در موتور بنزینی كه انرژی چرخشی برای به حركت در آوردن چرخ ها را تولید می كند. و یا موتور الكتریكی كه با تولید میدان الكتریكی كه با تولید میدان مغناطیسی نیروی چرخشی برای پنكه یا سی دی رام تولید می كنند. موتور بخار هم به طور مشابه كار می كنند.

ولی موتور موشك از لحاظ ساختار متفاوت است. موتور موشك ها موتورهای واكنشی هستند.اساس كار موتور موشك برپایه ی قانون معروف نیوتون است كه می گوید: “برای هر كنش واكنشی وجود دارد به مقدار مساوی ولی درجهت مخالف آن”. موتور موشك نیز جرم را در یك جهت پرتاب می كند و از واكنش آن در جهت مخالف سود می برد.

البته تصور این اصل (پرتاب جرم و سود بردن از واكنش) ممكن است در ابتدا كمی عجیب به نظر بیاید، چرا كه در عمل بسیار متفاوت می نمایاند. انفجار، صدا و فشار چیزهایی است كه در ظاهر باعث حركت موشك می شود و نه “پرتاب جرم”.

بگذارید تا با بیان چند مثال تصویری بهتر از واقعیت را روشن كنم:

● اگر تا به حال با اسلحه ی(به خصوص سایز بزرگ آن) shotgun شلیك كرده باشید، متوجه می شوید كه ضربه ی بسیار قوی ای، با نیروی بسیار زیاد به شانه شما وارد می كند.

یك اسلحه مقدار ۱ انس فلز را به یك جهت و با سرعت ۷۰۰ مایل در ساعت شلیك می كند و در واكنش شما را به عقب حركت می دهد.

● اگر تا به حال شیر آتش نشانی را دیده باشید، متوجه می شوید كه برای نگه داشتن آن باید نیروی بسیار زیادی را صرف كنید (اگر دقت كرده باشید گاهی ۲ یا ۳ آتش نشان یك شیر را نگه می دارند) كه در این جا شیر آتش نشانی مثل موتور موشك عمل می كند.

شیر آتش نشانی، آب را در یك جهت پرتاب میكند و آتش نشان ها از نیرو و وزن خود استفاده می كنند تا در برابر واكنش آن مقاومت كنند. اگر آن ها اجازه بدهند تا شیر رها شود، شیر به این طرف و آن طرف پرتاب می شود.

حال اگر آتش نشان ها روی یك اسكیت برد ایستاده باشند شیر آتش فشانی آن ها را با سرعت زیادی به عقب می راند.

● اگر یك بادكنك را باد كنید و آن را رها كنید، بادكنك به پرواز در می آید، تا وقتی كه هوای داخل آن به طور كامل خالی شود. پس می توان گفت كه شما یكم موتور موشك ساخته اید. در این جا چیزی كه به بیرون پرتاب می شود مولكول های هوای درون بادكنك هستند.

بسیاری از مردم فكر می كنند كه مولكول های هوا اهمیتی ندارند، در حالی كه اینطور نیست. هنگامی كه شما به آن ها اجازه می دهید تا از دریچه بادكنك به بیرون پرتاب شوند، بر اثر واكنش به وجود آمده بادكنك به جهت مخالف پرتاب می شود.

در ادامه برای درك بهتر موضوع، به مثالی دقیق تر اشاره می كنم:

● سناریوی توپ بیسبال در فضا:

شرایط زیر را تصور كنید،

مثلا شما لباس فضانوردان را پوشیده اید و در فضا در كنار فضاپیما معلق مانده اید و چندین توپ بیسبال در دست دارید. حال اگر شما توپ بیسبال را پرتاب كنید، واكنش آن بدن شما را به جهت مخالف توپ حركت می دهد.

سرعت شما پس از پرتاب توپ به وزن توپ و شتاب وارده بستگی دارد. همانطور كه می دانیم حاصلضرب جرم در شتاب برابر نیرو است، یعنی:

F=m.a

همچنین میدانیم كه هر نیرویی كه شما به توپ وارد كنید، توپ نیز نیرویی مساوی ولی در جهت مخالف به بدن شما وارد میكند كه همان واكنش است. پس می توان گفت:

m.a=m.a

حال فرض می كنیم كه توپ بیسبال ۱ كیلو گرم وزن داشته باشد و وزن شما و لباس فضایی هم ۱۰۰ كیلوگرم باشد. پس با این حساب اگر شما توپ بیسبال را با سرعت ۲۱ متر در ساعت پرتاب كنید. یعنی شما با دست خود به یك توپ بیسبال ۱ كیلو گرمی، شتابی وارد كرده اید كه سرعت ۲۱ متر در ساعت گرفته است. واكنش آن روی بدن شما تاثیر می گذارد، ولی وزن بدن شما ۱۰۰ برابر توپ بیسبال است. پس بدن شما با ۱۰۰/۱ سرعت توپ بیسبال (یا ۰.۲۱ متر بر ساعت) به عقب حركت می كند.

حال اگر شما می خواهید از توپ بیسبال خود قدرت بیش تری بگیرید، شما دو انتخاب دارید: افزایش جرم یا افزایش شتاب وارده

شما می توانید یا یك توپ سنگین تر پرتاب كنید و یا اینكه شما می توانید توپ بیسبال را سریع تر پرتاب كنید (شتاب آن را افزایش دهید)، و این دو تنها كارهایی است كه می توانید انجام دهید.

یك موتور موشك نیز به طور كلی جرم را در قالب گازهای پرفشار پرتاب می كند؛ موتور گاز را در یك جهت به بیرون پرتاب می كند تا از واكنش آن در جهت مخالف سود ببرد. این جرم از مقدار سوختی كه در موتور موشك می سوزد بدست می آید.

عملیات سوختن به سوخت شتاب می دهد تا از دهانه خروجی موشك با سرعت زیاد بیرون بیاید.

وقتی سوخت جامد یا مایع می سوزد و به گاز تبدیل می شود، جرم آن تغییر نمی كند بلكه تغییر در حجم آن است. یعنی اگر شما مقدار یك كیلو سوخت مایع موشك را بسوزانید مقدار یك كیلو جرم با حجمی بیشتر، از دهانه خروجی موشك با دمای بالا و سرعت زیاد خارج می شود. عملیات سوختن، جرم را شتاب می دهد.
بیایید تا بیش تر درباره ی نیروی پرتاب بدانیم:

نیروی پرتاب:

قدرت موتور یك موشك را نیروی پرتاب آن می گویند. نیروی پرتاب در آمریكا به صورت
(پوند) ponds of thrust
و در سیستم متریك با واحد نیوتون شناخته شده است (هر ۴.۴۵ نیوتون نیروی پرتاب برابر است با ۱ پوند نیروی پرتاب).

هر یك پوند نیروی پرتاب (۴.۴۵ نیوتون) مقدار نیروی است كه می تواند یك شی ۱ پوندی (۴۵۳.۵۹ گرم) را در حالت ساكن مخالف نیروی جاذبه زمین نگه دارد.

بنابر این در روی زمین شتاب جاذبه ۲۱ متر در ساعت در ثانیه (۳۲ فوت در ثانیه در ثانیه) است.

منبع و مترجم
ترجمه: محمد ش. محمدی

رایانه

همه چیز در مورد کامپیوتر (رایانه)

رایانه یا کامپیوتر دستگاهی است که برای پردازش اطلاعات تحت یک روال معین استفاده می‌شود.

واژه کامپیوتر

مدتی در فارسی به کامپیوتر «مغز الکترونیکی» می‌گفتند. بعد از ورود این دستگاه به ایران در اوایل دهه ۱۳۴۰ نام کامپیوتر به‌کار رفت. واژه رایانه در دو دهه اخیر رایج شده و به‌تدریج جای کامپیوتر را می‌گیرد. واژه رایانه پارسی است و از فعل پارسی رایاندن به معنی سامان دادن و مرتب کردن آمده. معنی واژگانی رایانه می‌شود ابزار دسته‌بندی و ساماندهی.

در زبان انگلیسی طی سالیان متمادی واژه‌های هم ارزش بسیاری برای این واژه بکار می‌‌رفته، و کلمات دیگری نیز وجود داشته‌اند که از آنها به عنوان کامپیوتر یاد می‌شود اما معانی متفاوتی را در خود داشته اند. یف شاعرانه تری بکار می‌رود، tölva که واژه ایست مرکب و به معنای «زن پیشگوی شمارشگر!» می‌‌باشد. در چینی رایانه dian nao یا «مغز برقی» خوانده می‌شود. در انگلیسی واژه‌ها و تعابیر گوناگونی استفاده می‌شود، به‌عنوان مثال دستگاه داده پرداز یا data processing machine

تعریف‌ها

با تعریف‌های بالا می‌توان به همهٔ ماشین‌های مکانیکی محاسبه مانند خط‌کش‌ محاسبه و یا چرتکه نیز به‌همان صورت که برای ماشین‌های امروزی به‌کار می‌رود، رایانه گفت. البته عبارات و واژه‌های بهتری نیز می‌تواند توصیف فعالیت‌های این ماشین‌ها باشند، واژه‌هایی مانند: داده‌پرداز، سامانه‌های پردازش اطلاعات و همچنین کنترل‌گر.

هنگامی که رایانه‌های امروزی را درنظر می‌‌گیریم، اغلب ویژگی درخور نگرشی می‌‌توانند تمامی ویژگی که در سایر دستگاهها پردازشی که اختراع می‌‌شوند تقلید نمایند (به هر حال یقینا با سرعت پایین تر). گهگاه، این آستانه قابلیت یک محک سودمند برای شناسایی «رایانه‌های همه‌کاره» از ابزارهای با کارایی ویژه قدیمی می‌‌باشد. این تعریف «همه کاره» می‌‌تواند بصورت رسمی در این تعریف که یک ماشین معین باید بتواند رفتارهای ماشین تورینگ (Turing machine) را تقلید نماید، بکار گرفته شود. ماشینهایی که این نیازمندی را تأمین کرده باشند به‌عنوان تورینگ کامل (Turing-complete) خطاب می‌‌شوند. تا هنگامی که بصورت فیزیکی تأمین فضای ذخیره نامتناهی و احتمال zero crashing وجود نداشته باشد لفظ تورینگ کامل بصورت آسان گیرانه‌ای به ماشین با ظرفیت ذخیره سازی بالا (نامتناهی) و با قابلیت اطمینان واقعی، گفته می‌شود. نخستین سری از این ماشینها در سال ۱۹۴۱ بوجود آمد: Z۳ ساخت کونراد زوسه (Konrad Zuse)که توسط برنامه کنترل می‌‌شد(اما ویژگی تورینگ کامل آن در سال ۱۹۹۸ به آن داده شد.). ماشین‌های دیگری نیز بصورت آشفته و با عجله در سراسر دنیا توسعه یافتند. برای اطلاعات بیشتر به تاریخچه رایانه نگاه کنید.

تاریخچه

لایبنیتز (leibniz) ریاضی‌دان آلمانی از نخستین کسانی است که در ساختن یک دستگاه خودکار محاسبه کوشش کرد. او که به پدر حسابدارش در تنظیم حساب‌ها کمک می‌کرد، از زمانی که برای انجام محاسبات صرف می‌کرد گله‌مند بود.

چارلز بابیج (Charles Babbage) یکی از اولین ماشینهای محاسبه مکانیکی را که به آن ماشین تحلیلی گفته می‌‌شد، طراحی نمود، اما بخاطر مشکلات فنی موجود در زمان حیاتش همچون ماشینی ساخته نشد(در سال ۱۹۹۳ در موزه علوم لندن مدلی که بر اساس طرح بابیج کار می‌‌کرد ساخته شد).

در گذشته دستگاههای مختلف مکانیکی ساده‌ای مثل خط‌کش محاسبه و چرتکه نیز کامپیوتر خوانده می‌‌شدند. در برخی موارد از آنها به‌عنوان رایانه‌های آنالوگ نام برده می‌شود. چراکه برخلاف رایانه‌های رقمی، اعداد را نه به‌صورت اعداد در پایه دو بلکه به‌صورت کمیتهای فیزیکی متناظر با آن اعداد نمایش می‌‌دهند. چیزی که امروزه از آن به‌عنوان «رایانه» یاد می‌شود در گذشته به عنوان «رایانه‌های رقمی (دیجیتال)» یاد می‌شد تا آنها را از انواع «رایانه‌های آنالوگ» جدا سازد(که هنوز در برخی موارد استفاده می‌شود مثلاً نشانک پرداز آنالوگ یا analog signal processing

رایانه‌ها چگونه کار می‌کنند ؟

از زمان رایانه‌های اولیه که از سال ۱۹۴۱ تا کنون فناوری‌های دیجیتالی بصورت شگرفی رشد نموده است، اغلب رایانه‌ها از معماری فون نویمن که در اواخر دهه ۱۹۴۰ از سوی جان فون نویمن ابداع گردید سود می‌جویند.

معماری فون نوِیمن یک رایانه را به چهار بخش اصلی توصیف می‌کند: واحد محاسبه و منطق (Arithmetic and Logic Unit یا ALU)، واحد کنترل یا حافظه، و ابزارهای ورودی و خروجی (که جمعا I/O نامیده می‌شود). این بخش‌ها توسط اتصالات داخلی سیمی به نام گذرگاه (bus) با یکدیگر در پیوند هستند.

حافظه

در این سامانه، حافظه یک توالی شماره گذاری شده از خانه‌ها است، هرکدام محتوی بخش کوچکی از داده‌ها می‌‌باشند. داده‌ها ممکن است دستورالعملهایی باشند که به رایانه می‌گویند چه کاری را انجام دهد باشد. خانه ممکن است حاوی اطلاعات مورد نیاز یک دستورالعمل باشد.

محتوای هر خانه حافظه ممکن است هر زمان تغییر یابد و بیشتر شبیه دفتر چرک‌نویس می‌‌ماند تا یک لوح سنگی.

اندازه هر خانه، وتعداد خانه ها، در رایانهٔ مختلف متفاوت است، همچنین فناوریهای بکاررفته برای اجرای حافظه نیز از رایانه‌ای به رایانه دیگر در تغییر است(از بازپخش کننده‌های الکترومکانیکی تا تیوپها و فنرهای پر شده از جیوه و یا ماتریس‌های ثابت مغناطیسی و در آخر ترانزیستورهای واقعی و مدار مجتمعها با میلیونها خازن روی یک تراشه تنها).

پردازش

واحد محاسبه و منطق یا ALU دستگاهی است که عملیات پایه مانند چهار عمل اصلی حساب (جمع و تفریق و ضرب و تقسیم)، عملیات منطقی (و،یا،نقیض)، عملیات قیاسی (برای مثال مقایسه دو بایت برای شرط برابری) و دستورات انتصابی برای مقدار دادن به یک متغیر را انجام می‌دهد. این واحد جاییست که «کار واقعی» در آن صورت می‌‌پذیرد. البته CPU‌ها به دو دسته کلی RISC و CISC تقسیم بندی می‌شوند. نوع اول پردازش گرهای مبتنی بر اعمال ساده هستند و نوع دوم پردازشگرهای مبتنی بر اعمال پیچیده هستند. پردازشگرهای مبتنی بر اعمال پیچیده در واحد محاسبه و منطق خود دارای اعمال و دستوراتی بسیار فراتر از چهار عمل اصلی یا منطقی می‌‌باشند. تنوع دستورات این دسته از پردازنده‌ها تا حدی است که توضیحات آن‌ها خود می‌تواند یک کتاب با قطر متوسط ایجاد کند. پردازنده‌های مبتنی بر اعمال ساده اعمال بسیار کمی را پوشش می‌دهند و در حقیقت برای برنامه نویسی برای این پردازنده‌ها بار نسبتاً سنگینی بر دوش برنامه نویس است. این پردازنده‌ها تنها حاوی ۴ عمل اصلی و اعمال منطقی ریاضی و مقایسه‌ای به علاوه چند دستور بی اهمیت دیگر هستند.

(قابل ذکر است پردازنده‌های اینتل از نوع پردازنده مبتنی بر اعمال پیچیده هستند.)

واحد کنترل همچنین این مطلب را که کدامین بایت از حافظه حاوی دستورالعمل فعلی اجرا شونده است را تعقیب می‌کند، سپس به واحد محاسبه و منطق اعلام می‌کند که کدام عمل اجرا و از حافظه دریافت شود و نتایج به بخش اختصاص داده شده از حافظه ارسال گردد. بعد از یک بار عمل، واحد کنترل به دستورالعمل بعدی ارجاع می‌کند(که معمولاً در خانه حافظه بعدی قرار دارد، مگر اینکه دستورالعمل جهش دستورالعمل بعدی باشد که به رایانه اعلام می‌کند دستورالعمل بعدی در خانه دیگر قرارگرفته است).

ورودی/خروجی

بخش ورودی/خروجی (I/O) این امکان را به رایانه می‌‌دهد تا اطلاعات را از جهان بیرون تهیه و نتایج آنها را به همان جا برگرداند. محدوده فوق العاده وسیعی از دستگاههای ورودی/خروجی وجود دارد، از خانواده آشنای صفحه‌کلیدها، نمایشگرها، نَرم‌دیسک گرفته تا دستگاههای کمی غریب مانند رایابین‌ها (webcams).

چیزی که تمامی دستگاههای عمومی در آن اشتراک دارند این است که آنها رمز کننده اطلاعات از نوعی به نوع دیگر که بتواند مورد استفاده سیستم‌های رایانه دیجیتالی قرار گیرد، هستند. از سوی دیگر، دستگاههای خروجی آن اطلاعات به رمز شده را رمزگشایی می‌کنند تا کاربران آنها را دریافت نمایند. از این رو یک سیستم رایانه دیجیتالی یک نمونه از یک سامانه داده‌پردازی می‌‌باشد.

دستورالعملها

هر رایانه تنها دارای یک مجموعه کم تعداد از دستورالعملهای ساده و تعریف شده می‌‌باشد. از انواع پرکاربردشان می‌توان به دستورالعمل «محتوای خانه ۱۲۳ را در خانه ۴۵۶ کپی کن!»، «محتوای خانه ۶۶۶ را با محتوای خانه ۰۴۲ جمع کن، نتایج را در خانه ۰۱۳ کن!»، «اگر محتوای خانه ۹۹۹ برابر با صفر است، به دستورالعمل واقع در خانه ۳۴۵ رجوع کن!».

دستورالعمل‌ها در داخل رایانه بصورت اعداد مشخص شده‌اند - مثلاً کد دستور العمل (copy instruction) برابر ۰۰۱ می‌تواند باشد. مجموعه معین دستورالعمل‌های تعریف شده که توسط یک رایانه ویژه پشتیبانی می‌شود را زبان ماشین می‌‌نامند. در واقعیت، اشخاص معمولاً به [زبان ماشین]] دستورالعمل نمی‌نویسند بلکه بیشتر به نوعی از انواع سطح بالای زبانهای برنامه نویسی، برنامه نویسی می‌کنند تا سپس توسط برنامه ویژه‌ای (تفسیرگرها (interpreters) یا همگردانها (compilers) به دستورالعمل ویژه ماشین تبدیل گردد. برخی زبانهای برنامه نویسی از نوع بسیار شبیه و نزدیک به زبان ماشین که اسمبلر (یک زبان سطح پایین) نامیده می‌شود، استفاده می‌کنند؛ همچنین زبانهای سطح بالای دیگری نیز مانند پرولوگ نیز از یک زبان انتزاعی و چکیده که با زبان ماشین تفاوت دارد بجای دستورالعمل‌های ویژه ماشین استفاده می‌کنند.

معماری ها

در رایانه‌های معاصر واحد محاسبه و منطق(ICU) را به همراه واحد کنترل در یک مدار مجتمع که واحد پردازشی مرکزی (CPU) نامیده می‌شود، جمع نموده اند. عموما، حافظه رایانه روی یک مدار مجتمع کوچک نزدیک CPU قرار گرفته. اکثریت قاطع بخش‌های رایانه تشکیل شده‌اند از سامانه‌های فرعی (به عنوان نمونه، منبع تغذیه) و یا دستگاههای ورودی/خروجی.

برخی رایانه‌های بزرگ‌تر چندین CPU و واحد کنترل دارند که بصورت هم‌زمان با یکدیگر درحال کارند. این‌گونه رایانه‌ها بیشتر برای کاربردهای پژوهشی و محاسبات علمی بکار می‌روند.

کارایی رایانه‌ها بنا به تیوری کاملاً درست است. رایانه داده‌ها و دستورالعمل‌ها را از حافظه اش واکشی (fetch) می‌کند. دستورالعمل‌ها اجرا می‌شوند، نتایج ذخیره می‌شوند، دستورالعمل بعدی واکشی می‌شود. این رویه تا زمانی که رایانه خاموش شود ادامه پیدا می‌کند. واحد پردازنده مرکزی در رایانه‌های شخصی امروزی مانند پردازنده‌های شرکت ای-ام-دی و شرکت اینتل از معماری موسوم به Pipeline استفاده می‌شود و در زمانی که پردازنده در حال ذخیره نتیجه یک دستور است مرحله اجرای دستور قبلی و مرحله واکشی دستور قبل از آن را آغاز می‌‌کند. همچنین این رایانه‌ها از سطوح مختلف حافظه نهانگاهی استفاده می‌کنند که در زمان دسترسی به حافظه اصلی صرفه جویی کنند.

برنامه ها

برنامه رایانه‌ای فهرست‌های بزرگی از دستورالعمل‌ها (احتمالاً به همراه جدول‌هایی از داده) برای اجرا روی رایانه هستند. خیلی از رایانه‌ها حاوی میلیونها دستورالعمل هستند، و بسیاری از این دستورات به تکرار اجرا می‌شوند. یک رایانه‌ شخصی(PC) نوین نوعی (درسال ۲۰۰۳) می‌تواند در ثانیه میان ۲ تا ۳ میلیارد دستورالعمل را پیاده نماید. رایانه‌ها این مقدار محاسبه را صرف انجام دستورالعمل‌های پیچیده نمی‌کنند. بیشتر میلیونها دستورالعمل ساده را که توسط اشخاص باهوشی «برنامه نویسان» در کنار یکدیگر چیده شده‌اند را اجرا می‌کنند. برنامه نویسان خوب مجموعه‌هایی از دستورالعمل‌ها را توسعه می‌‌دهند تا یکسری از وظایف عمومی را انجام دهند(برای نمونه، رسم یک نقطه روی صفحه) و سپس آن مجموعه دستورالعمل‌ها را برای دیگر برنامه نویسان در دسترس قرار می‌‌دهند.(اگر مایلید «یک برنامه نویس خوب» باشید به این مطلب مراجعه نمایید.)

رایانه‌های امروزه، قادرند چندین برنامه را در آن واحد اجرا نمایند. از این قابلیت به عنوان چندکارگی (multitasking) نام برده می‌شود. در واقع، CPU یک رشته دستورالعمل‌ها را از یک برنامه اجرا می‌کند، سپس پس از یک مقطع ویژه زمانی دستورالعمل‌هایی از یک برنامه دیگر را اجرا می‌کند. این فاصله زمانی اکثرا به‌عنوان یک برش زمانی (time slice) نام برده می‌شود. این ویژگی که CPU زمان اجرا را بین برنامه‌ها تقسیم می‌کند، این توهم را بوجود می‌‌آورد که رایانه هم‌زمان مشغول اجرای چند برنامه است. این شبیه به چگونگی نمایش فریمهای یک فیلم است، که فریمها با سرعت بالا در حال حرکت هستند و به نظر می‌‌رسد که صفحه ثابتی تصاویر را نمایش می‌‌دهد. سیستم عامل همان برنامه‌ای است که این اشتراک زمانی را بین برنامه‌های دیگر تعیین می‌کند.

سیستم عامل

رایانه همیشه نیاز دارد تا برای بکارانداختنش حداقل یک برنامه روی آن در حال اجرا باشد. تحت عملکردهای عادی این برنامه همان سیستم عامل یا OS است. سیستم یا سامانه عامل تصمیم می‌گیرد که کدام برنامه اجرا شود، چه زمان، از کدام منابع (مثل حافظه، ورودی/خروجی و …) استفاده شود. همچنین سیستم عامل یک لایه انتزاعی بین سخت افزار و برنامه‌های دیگر که می‌‌خواهند از سخت افزار استفاده کنند، می‌‌باشد، که این امکان را به برنامه نویسان می‌‌دهد تا بدون اینکه جزییات ریز هر قطعه الکترونیکی از سخت افزار را بدانند بتوانند برای آن قطعه برنامه نویسی نمایند.

کاربردهای رایانه

نخستین رایانه‌های رقمی، با قیمتهای زیاد و حجم بزرگشان، در اصل محاسبات علمی را انجام می‌‌دادند، انیاک یک رایانه قدیمی ایالات متحده اصولا طراحی شده تا محاسبات پرتابه‌ای توپخانه و محاسبات مربوط به جدول چگالی نوترونی را انجام دهد. (این محاسبات بین دسامبر ۱۹۴۱ تا ژانویه ۱۹۴۶ روی حجمی بالغ بر یک میلیون کارت پانچ انجام پذیرفت! که این خود طراحی و سپس تصمیم نادرست بکارگرفته شده را نشان می‌‌دهد) بسیاری از ابررایانه‌های امروزی صرفاً برای کارهای ویژه محاسبات جنگ افزار هسته‌ای استفاده می‌گردد.

CSIR Mk I نیز که نخستین رایانه استرالیایی بود برای ارزیابی میزان بارندگی در کوههای اسنویی (Snowy)این کشور بکاررفت، این محاسبات در چارچوب یک پروژه عظیم تولید برقابی انجام گرفت.

برخی رایانه‌ها نیز برای انجام رمزگشایی بکارگرفته می‌‌شد، برای مثال Colossus که در جریان جنگ جهانی دوم ساخته شد، جزو اولین کامپیوترهای برنامه‌پذیر بود(البته ماشین تورینگ کامل نبود). هرچند رایانه‌های بعدی می‌توانستند برنامه ریزی شوند تا شطرنج بازی کنند یا تصویر نمایش دهند و سایر کاربردها را نشان دهد.

سیاستمداران و شرکتهای بزرگ نیز رایانه‌های اولیه را برای خودکارسازی بسیاری از مجموعه‌های داده و پردازش کارهایی که قبلا توسط انسان‌ها انجام می‌‌گرفت،بکاربستند - برای مثال، نگهداری و بروزرسانی حسابها و دارایی ها. در موسسات پژوهشی نیز دانشمندان رشته‌های مختلف شروع به استفاده از رایانه برای مقاصدشان نمودند.

کاهش پیوسته قیمتهای رایانه باعث شد تا سازمانهای کوچک‌تر نیز بتوانند آنها را در اختیار بگیرند. بازرگانان، سازمانها، و سیاستمداران اغلب تعداد زیادی از کامپیوترهای کوچک را برای تکمیل وظایفی که قبلا برای تکمیلشان نیاز به رایانه بزرگ (mainframe) گران قیمت و بزرگ بود، به کار بگیرند. مجموعه‌هایی از رایانه‌های کوچک‌تر در یک محل اغلب به‌عنوان خادم سرا (server farm) نام برده می‌شود.

با اختراع ریزپردازندهها در دهه ۱۹۷۰ این امکان که بتوان رایانه‌هایی بسیار ارزان قیمت را تولید نمود بوجود آمد. رایانه‌های شخصی برای انجام وظایف بسیاری محبوب گشتند، از جمله کتابداری، نوشتن و چاپ مستندات. محاسبات پیش بینی‌ها و کارهای تکراری ریاضی توسط صفحات گسترده (spreadsheet)، ارتباطات توسط پست الکترونیک، و اینترنت. حضورگسترده رایانه‌ها و سفارشی کردن آسانشان باعث شد تا در امورات بسیار دیگری بکارگرفته شوند.

در همان زمان، رایانه‌های کوچک، که معمولاً با یک برنامه ثابت ارایه می‌‌شدند، راهشان را بسوی کاربردهای دیگری بازمی نمودند، کاربردهایی چون لوازم خانگی، خودروها، هواپیماها، و ابزار صنعتی. این پردازشگرهای جاسازی شده کنترل رفتارهای آن لوازم را ساده تر کردند، همچنین امکان انجام رفتارهای پیچیده را نیز فراهم نمودند (برای نمونه، ترمزهای ضدقفل در خودروها). با شروع قرن بیست و یکم، اغلب دستگاههای الکتریکی، اغلب حالتهای انتقال نیرو، اغلب خطوط تولید کارخانه‌ها توسط رایانه‌ها کنترل می‌شوند. اکثر مهندسان پیش بینی می‌کنند که این روند همچنان به پیش برود. یکی از کارهایی که می‌توان به‌وسیله رایانه انجام داد پروگرام گیرنده ماهواره است.

گونه‌های رایانه

رایانه‌های توکار

در ۲۰ سال گذشته یا همین حول و حوش، هرچند برخی ابزارهای خانگی که از نمونه‌های قابل ذکر آن می‌‌توان جعبه‌های بازی‌های ویدیویی را که بعدها در دستگاههای دیگری از جمله تلفن همراه، دوربین‌های ضبط ویدیویی، و PDA‌ها و دهها هزار وسیله خانگی، صنعتی، خودروسازی و تمام ابزاری که در درون آنها مدارهایی که نیازهای ماشین تورینگ را مهیا ساخته اند، گسترش یافت، را نام برد(اغلب این لوازم برنامه‌هایی را در خود دارند که بصورت ثابت روی ROM تراشه‌هایی که برای تغییر نیاز به تعویض دارند،نگاشته شده اند). این رایانه‌ها که در درون ابزارهای با کاربرد ویژه گنجانیده شده‌اند «ریزکنترل‌گرها» یا «رایانه‌های توکار» (Embedded Computers) نامیده می‌‌شوند. بنابراین تعریف این رایانه‌ها به‌عنوان ابزاری که با هدف پردازش اطلاعات طراحی گردیده محدودیتهایی دارد. بیشتر می‌‌توان آنها را به ماشینهایی تشبیه کرد که در یک مجموعه بزرگ‌تر به‌عنوان یک بخش حضور دارند مانند دستگاههای تلفن، ماکروفرها و یا هواپیما که این رایانه‌ها بدون تغییر فیزیکی توسط کاربر می‌‌توانند برای مقاصد مختلفی بکارگرفته شوند.

رایانه‌های شخصی

درآخر، اشخاصی که با انواع دیگری از رایانه‌ها ناآشنا هستند از عبارت رایانه برای رجوع به نوع خاصی که رایانه شخصی (PCها) نامیده می‌‌شوند استفاده می‌کنند.

بقیه انواع کامپیوتر در زیر نمایش داده شده اند:

* رایانه آنالوگ
* رایانه ضربانی
* ریزرایانه
o رایانه خانگی
o رایانه شخصی
o خادم یا server
* رایانه کوچک
* رایانه پردازنده مرکزی
* ابررایانه
* رایانه کوانتومی